Vo svete materiálovej vedy sa občas objaví objav, ktorý mení spôsob, akým rozmýšľame o technológiách budúcnosti. Nedávno sa to stalo vedcom z Florida State University, ktorí vyvinuli nový typ kryštálu so zvláštnymi magnetickými vlastnosťami, ktoré pripomínajú jemné víry – tzv. „skyrmion-like“ textúry. Tieto magnetické štruktúry sa tvoria priamo na atómovej úrovni a môžu viesť k revolučným zmenám v ukladaní dát, energeticky úsporných zariadeniach a dokonca aj v oblasti kvantových počítačov.
V bežných magnetických materiáloch sa atómy správajú ako maličké „tyčové magnety“, ktorých orientácia určuje výslednú magnetickosť materiálu. Magnetické polia, ktoré poznáme z bežných feromagnetov ako železo alebo nikel, vznikajú, keď sa tieto atómy zoradia do rovnakého smeru.
Nový kryštál vytvorený vedcami z FSU však koná inak. Namiesto toho, aby sa magnetické momenty atómov ustálili v jednej lineárnej orientácii, vytvárajú zložité, opakujúce sa víriace vzory. Tieto textúry sa označujú ako „skyrmion-like“ a v praxi sú obzvlášť stabilné a energeticky efektívne – to znamená, že vyžadujú mimoriadne málo energie na manipuláciu a udržiavanie.
Kľúčom k úspechu je kombinácia dvoch veľmi podobných chemických zlúčenín s odlišnými kryštalickými štruktúrami. Keď sa tieto látky zmiešajú a ochladia do pevného stavu, ich rozdielne vnútorné usporiadanie vytvára „frustráciu“ na úrovni štruktúry – to znamená, že žiadna zo štruktúr nemôže úplne dominovať. Tento konflikt sa prenáša aj do magnetického správania, a výsledkom sú víriace magnetické vzory.
Skyrmiony sú špeciálne magnetické textúry, ktoré si fyzici predstavujú ako miniatúrne magnetické víry, ktoré držia tvar vďaka topologickým princípom. Ich výhoda spočíva v tom, že sú veľmi stabilné a môžu byť manipulované s veľmi malým množstvom energie – výrazne menej než tradičné magnetické domény, ktoré sa používajú v dnešných harddiskoch.
V praxi to znamená, že zariadenia, ktoré využívajú skyrmiony, by mohli ukladať viac dát na menšom priestore a zároveň spotrebovať omnoho menej elektrickej energie. To je obrovský krok vpred pre energeticky úspornú elektroniku, dátové úložiská a potenciálne aj pre kvantové počítače, kde sa nízka spotreba a vysoká stabilita magnetických stavov cení mimoriadne vysoko.
Tradičné pamäťové zariadenia, ako sú pevné disky alebo flash pamäte, ukladajú dáta pomocou magnetických domén alebo elektrických nábojov. Skyrmion-based technológie však pracujú na úplne inom princípe, kde každý vír magnetických momentov môže predstavovať „bit“ informácie. Pretože skyrmiony sú malé a stabilné, teoreticky je možné dosiahnuť oveľa vyššiu hustotu dát než v dnešných systémoch.
Okrem ukladania dát majú skyrmionové materiály obrovský potenciál v tzv. spintronike – oblasti, ktorá využíva spin elektrónov (okrem ich náboja) na prenos a spracovanie informácií. Pretože manipulácia so skyrmionmi vyžaduje veľmi malé množstvo energie, zariadenia založené na tejto technológii môžu byť energeticky oveľa efektívnejšie než dnešná elektronika.
Jedným z najambicióznejších cieľov moderného výskumu je vytvorenie kvantových počítačov, ktoré dokážu riešiť problémy, ktoré sú pre dnešné počítače prakticky neriešiteľné. Stabilita a nízka energetická náročnosť skyrmionov z nich robí sľubných kandidátov pre použitie ako kvantové bity (qubity) alebo pre podporu spintronických systémov, ktoré môžu byť integrované do hybridných kvantovo-klasických technológií.
Mohlo by ťa zaujímať: Kvantové kubity nad tekutým héliom: Ako mikrovlny môžu čítať údaje z jedného elektrónu
Mohlo by ťa zaujímať: Kvantová revolúcia v triedach: Ako vzdelávacie balíky menia budúcnosť fyziky po celom svete
Tento objav nie je len o novom materiáli – ukazuje, ako môže pretrvávajúci záujem o pochopenie základných princípov fyziky viesť k technológiám, ktoré ovplyvnia náš každodenný život. Vedci využili starostlivé experimentovanie, silnú medzinárodnú spoluprácu a inovatívne myslenie, aby vytvorili materiál, ktorý by pred pár rokmi mohol byť považovaný za sci-fi.
Zdroje inšpirácie:
https://www.sciencedaily.com
https://interestingengineering.com
https://pubs.acs.org
